تحقیق بررسی كاربرد سوئيچ در شبكه و اينترنت

دسته بندي : فنی و مهندسی » کامپیوتر و IT
تحقيق بررسي كاربرد سوئيچ در شبكه و اينترنت در 21 صفحه ورد قابل ويرايش

سوئيچ هاي LAN چطور كار مي كنند؟



اگر مقالاتي راجع به شبكه يا اينترنت خواند ه باشيد، مي دانيد كه يك شبكه شامل گرها ( كامپيوترها ) يك رسانه اتصال ( باسيم يا بي سيم) و تجهيزات اختصاصي شبكه نظير مسير ياب ها (Routers ) و هاب ها مي گردد.

در مورد اينترنت تمام اين بخش ها با هم كار مي كنند تا به كامپيوترتان اجازه دهند كه اطلاعات را به كامپيوتر ديگري كه مي تواند در طرف ديگر دنيا باشد بفرستد.

سوئيچ ها بخش بنيادي اغلب شبكه هاي مي باشند. آنها ارسال اطلاعات روي يك شبكه براي چندين كاربر در آن واحد بدون پايين آوردن سرعت همديگر را ممكن مي سازند.درست شبيه روترها كه اجازه مي دهند شبكه هاي مختلف با يكديگر ارتباط برقرار كنند، سوئيچ ها اجازه مي دهند گره هاي مختلف ( يك نقطه اتصال شبكه، نوعاً يك كامپيوتر ) از يك شبيكه مستقيماً با ديگري به طريقي مؤثر و خالي از اشكال ارتباط برقرار كنند.

انواع بسيار متفاوتي از سوئيچ ها وشبكه وجود دارد. سوئيچ هايي كه يك اتصال مجزا براي هرگروه در شبكه داخلي يك شركت فراهم مي كنند، سوئيچ هاي LAN ناميده مي شوند.

اساساً يك سوئيچ يكسري از شبكه هاي لحظه اي ايجاد مي كند كه شامل فقط دو وسيله در ارتباط با يكديگر در آن لحظه خاص مي باشند. د راين مقاله ما روي شبكه هاي اترنت( Ethernet ) كه از سوئيچ هاي LAN استفاده مي كنند متمركز خواهيم شد.

شما خواهيد آموخت كه يك سوئيچ LAN چيست وچطور transparent bridging كار مي كند، علاوه بر اين در مورد VLAN ها، trunking و spanning خواهيد آموخت.

مباني شبكه

دراينجا بعضي از بخش هاي بنيادي شبكه را ملاحظه مي نمائيد:

شبكه( Netawork ): يك شبكه، گروهي از كامپيوترهاي متصل بهم مي باشد به طوري كه اجازه تبادل اطلاعات مابين كامپيوترها را مي دهد

گره( Node): هر چيزي كه به شبكه متصل مي گردد، يك گره مي باشد در حاليكه گره نوعاً يك كامپيوتر است، مي تواند چيزهايي شبيه يك چاپگر يا CD-ROM tower هم باشد.

قطعه ( segment ) هر بخش از شبكه كه بوسيله سوئيچ، bridge يا router از بخش هاي ديگر شبكه مجزا گردد، يك قطعه مي باشد.

ستون فقرات ( Backbone ): كابل كشي اصلي يك شبكه كه تمام قطعات به آن متصل مي گردد، ستون فقرات شبكه مي باشد. نوعاً ستون فقرات قابليت حمل اطلاعات بيشتري را از قطعات مجزا دارد. به عنوان مثال هر قطعه ممكن است نرخ انتقال (transfer rate )Mbps 10 داشته باشد، در حاليكه ستون فقرات ممكن است در Mbps 100 عمل كند.

توپولوژي: توپولوژي روشي است كه هر گره بطور فيزيكي به شبكه متصل مي گردد. توپولوژي هاي متداول عبارتند از:

BUS : هر گره به صورت زنجيروار( daisy - chained ) و متصل شده درست يكي بعد از ديگري در امتداد ستون فقرات شبيه به چراغ هاي كريسمس مي باشد. اطلاعات فرستاده شده از يك گره در طول ستون فقرات حركت مي كند تا به گره مقصد برسد. هر انتهاي شبكه bus بايد جهت جلوگيري از پس جهيدن سيگنال فرستاده شده و به وسيله يك گره در شبكه هنگاميكه به انتهاي كابل مي رسد، با يك مقاومت ختم شود.

حلقوي( ring ) : مشابه با شبكه bus، شبكه هاي ring هم داراي گره هاي زنجيروار هستند. با اين تفاوت كه انتهاي شبكه به سمت اولين گره بر ميگردد و يك مدار كامل را تشكيل مي دهد. دريك شبكه حلقوي هر گره ارسال و دريافت اطلاعات را بوسيله يك علامت ( token ) انجام مي دهد. token همراه با هر گونه اطلاعات از اولين گره به دومين گره فرستاده مي شود كه اطلاعات آدرس شده به آن گره استخراج و هر اطلاعاتي را كه مي خواهد بفرستد به آن اضافه مي كند.سپس دومين گره token و اطلاعات را به سومين گره پاس مي دهد و همين طور تا دوباره به اولين گره برگردد. فقط گره با token مجاز به ارسال اطلاعات مي باشد. تمام گره هاي دريگر بايد صبر كنند تا token به آنها برسد.

ستاره اي (Star ): در يك شبكه ستاره اي هر گره به يك دستگاه مرگزي به نام Hub متصل مي شود. هاب سيگنالي را كه از هر گره مي آيد مي گيرد و آن را به تمام گره هاي ديگر شبكه مي فرستد. يك هاب هيچ نوع فيلترينگ و مسير يابي( routing ) اطلاعات را انجام نمي دهد. هاب فقط يك نقطه اتصال است كه تمام گره هاي مختلف را به هم وصل مي كند.

توپولوژي شبكه Star

Star bus : متداول ترين توپولوژي شبكه مورد استفاده امروزي يعني star bus اصول توپولوژي هاي star و bus را براي ايجاد يك محيط شبكه همه منظوره تركيب مي كند. گره ها در نواخي خاص به هاب ها ( براي ايجاد star ) متصل مي شوند و هاب ها در امتداد ستون فقرات شبكه ( شبيه به يك شبكه bus ) بهم متصل مي گردند. اغلب اوقات همچنانكه در مثال زير ديده مي شود ستاره ها در ستاره ها به شكل تودرتو هستند:

شبكه محلي ( Local Area Network-LAN ): يك LAN شبكه اي از كامپيوترهايي است كه در مكان فيزيكي عمومي يكسان، معمولاً در يك ساختمان يا يك فضاي باز واقع شده اند. اگر كامپيوترها بسيار پراكنده و دور از هم ( در ميان شهر يا در شهرهاي مختلف ) باشند، در آن صورت نوعاً يك شبكه گسترده ( Wide Area Network-WAN ) مورد استفاده قرار مي گيرد.

( NIC ) Network Interface Card : هر كامپيوتر ( اغلب دستگاه هاي ديگر)از طريق يك NIC به شبكه متصل مي گردد. در اغلب كامپيوترهاي روميزي NIC يك كارت اترنت ( 10يا 100 Mbps ) است كه داخل يكي از شكاف هاي مادر برد كامپيوتر قرار مي گيرد.

Media Access Control (MAC) address : آدرس فيزيكي هر دستگاه در شبكه مي باشد ( مثل آدرس NIC در يك كامپيوتر). آدرس MAC دو قسمت دارد كه طول هر كدام 3 بايت است. اولين 3 بايت معرف شركت سازنده NIC مي باشد دومين 3 بايت شماره سريال NIC است.

Unicast : انتقال از يك گره يك بسته ( packet ) را به آدرس يك گروه خاص مي فرستد. دستگاه هاي ذي نفع در اين گروه بسته هاي آدرس شده به گروه را دريافت مي كنند. مثالي از اين مورد مي تواند يك روتر Cisco باشد كه يك update را به تمام روترهاي ديگر Cisco مي فرستد.

Broadcast: در يك broadcast، يك گره بسته را به قصد ارسال به تمام گره هاي ديگر شبكه مي فرستد

برخورد و همچنين نياز به فيلترينگ را برطرف خواهد كرد.

افزونگي و طوفان داده پراكني Redundancy and Broadcast Stroms))

وقتي پيشتر راجع به شبكه هاي باس و رينگ صحبت كرديم، يك نتيجه بحث، احتمال وجود يك نقطه خراب بود. در شبكه star يا star-bus بيشترين پتانسيل براي از كار انداختن بخشي يا تمام شبكه، سوئيچ يا هاب است. به مثال زيرنگاهي بياندازيد:

در اين مثال اگر سوئيچ A ياC خراب شود، گره هاي متصل به آن سوئيچ خاص تحت تأثير قرار خواهند گرفت، اما گره ها در دو سوئيچ ديگر هنوز مي توانند تبادل اطلاعات نمايند. با اين حال اگر سوئيچ B خراب شو كل شبكه از كار خواهد افتاد. چه اتفاقي خواهد افتاد اگر قطعه ديگري را به شبكه مان جهت اتصال سوئيچ هاي A وC اضافه كنيم؟

در اين مورد حتي اگر يكي از سوئيچ ها خراب شود، شبكه بكار خود ادامه خواهد داد. اين كار افزونگي ( redundancy ) را فراهم مي آورد كه بطور مؤثري نقطه واحد خرابي را برطرف مي كند. اما حالاا ما يك مشكل جديد داريم. در آخرين بخش شما پي برديد كه چگونه سوئيچ هايي كه حالا دريك حلقه متصل شده اند، كاملاً امكان پذير است كه يك بسته از يكگره به سوئيچ از دو قطعه مختلف وارد شود به عنوان مثال فرض كنيد كه گره B به سوئيچ A متصل باشد و احتياج به تبادل اطلاعات با گره A در قطعه B داشته باشد. سوئيچ A نمي داند چه كسي گره A مي باشد بنابراين بسته را پخش سيل آسا مي كند.

بسته از طريق قطعه A يا قطعه C به دو سوئيچ ديگر (B و C) نقل مكان مي كند. سوئيچ B گره B را به lookup table كه براي قطعه A نگهداري مي كند اضافه خواهد كرد، در حاليكه سوئيچ C آن را به lookup table براي قطعه C اضافه مي كند. اگر هيچ يك از اين دو سوئيچ هنوز آدرس گره A را ياد نگرفته باشد، آنها قطعه B را در جستجوي گره A پخش سيل آسا خواهند كرد. هر سوئيچ بسته فرستاده شده بوسيله سوئيچ ديگر را خواهد گرفت و دوباره فوراً آن را پخش سيل آسا خواهند كرد چون هنوز نمي دانند چه كسي گره A است سوئيچ A بسته را از هر قطعه دريافت و آن را به قطعه ديگر پخش سيل آسا خواهد كرد. اين امر باعث بوجود آمدن يك طوفان داده پراكني (brouadcast storm) خواهد شد، بطوري كه بسته ها توسط هر سوئيچ پراكنده شده، دريافت و دوباره پراكنده مي شوند كه نهايتاً منجر به تراكم شبكه بالقوه شديد خواهد گرديد. كه اين هم مارا به درخت هاي پوشا ( spanning trees) مي رساند...

درخت هاي پوشا ( spanning trees)

جهت جلو گيري از طوفان هاي داده پراكني و ديگر تأثيرات جانبي ناخواسته حلقه زدن، شركت Digital Equipment Corporation پروتكل درخت پوشا ( spanning -tree protocoi-STP) را كه تحت عنوان مشخصات d1،802 توسط مؤسسه مهندسين برق و الكترونيك ) IEEE) استاندارد شده بود، اساساً يك درخت پوشا از الگوريتم درخت پوشا ( spanning-tree algorithm-STA) استفاده مي كند كه در مي يابد كه سوئيچ بيش از يك مسير براي تبادل اطلاعات با يك گره دارد، تعيين مي كند كدام مسير بهترين است و بقيه مسير ها را مي بندد. جالب اينكه رد مسير(هاي) ديگر را نگه مي دارد، فقط در مورد مسير اوليه خارج از دسترس مي باشد.

در اينجا مي پردازيم به اينكه STP چطور كار مي كند:

به هر سوئيچ يك گره ID اختصاص داده مي شود، يكي براي خود سوئيچ و يكي براي هر پورت در سوئيچ شناسه سوئيچ، به نام شناسه پل ( BridgeID-BID) ، 8 بايت طول دارد و شامل يك تقدم پل (2بايت)همراه با يكي از آدرس هاي MAC سوئيچ(6بايت) مي باشد. هر شناسه پورت ( port ID) ، 16 بيت بوده و دو قسمت دارد: يك قسمت تنظيم تقدم كه 6 بيتي بوده و قسمت ديگر شماره پورت كه 10 بيتي مي باشد.

براي هر پورت يك مقدار هزينه مسير ( pathwost) فرض مي شود. اين هزينه نوعاً بر اساس راهنمايي كه به عنوان بخشي از استاندارد d1،802 بنا نهاده شده مي باشد. مطابق با مشخصات اصلي، مقدار هزينه برابر با Mbps 1000 ( يك گيگابيت در ثانيه) تقسيم بر پهناي باند قطعه متصل به پورت است. بنابراين يك اتصال Mbps 10 هزينه برابر با 100 ( 10/1000) خواهد داشت. براي جبران افزايش سرعت شبكه ها به آن سوي محدوده گيگابيت، هزينه استاندارد كمي اصلاح شد ه است. مقادير هزينه جديد عبارتند از:

روترها و سوئيچينگ لايه 3

درحاليكه اغلب سوئيچ ها در لايه اطلاعات ( لايه 2) از مدل مرجع OST عمل مي نمايند، بعضي از انها ويژگي هاي يك روتر را تركيب و در لايه شبكه ( لايه 3) هم عمل مي كنند. در حقيقت يك سوئيچ لايه 3 بطور باور نكردني مشابه با يك روتر مي باشد.

هنگامي كه يك روتر بسته اي را دريافت مي كند، در آدرس هاي مبدأ و مقصد لايه 3 براي تعيين مسيري كه بسته بايد بپيمايد، نگاه مي كند. يك سوئيچ استاندارد به آدرس هي MAC براي تعيين مبدأ و مقصد يك بسته تكيه مي نمايد، كه شبكه گذاري لايه 2 (اطلاعات ) مي باشد.

تفاوت اساسي بين يك روتر و سوئيچ لايه 3 اينست كه سوئيچ هاي لايه 3 داراي سخت افزار بهينه شده براي عبور اطلاعات با سرعت سوئيچ هاي لايه 2 و در عين حال تصميم گيري در مورد اينكه چطور ترافيك در لايه 3 درست شبيه به يك روتر منتقل شود، مي باشد. در محيط LAN يك سوئيچ لايه 3 معمولاً سريع تر از يك روتر مي باشد زيرا برمبناي سخت افزار سوئيچينگ ساخته مي شود. در حقيقت خيلي از سوئيچ هاي لايه 3 سيسكو ( Cisco) عملاً روترهايي هستند كه سريعتر عمل مي كنند زيرا بر اساس سخت افزار سوئيچينگ با تراشه هاي سفارشي داخل جعبه ساخته مي شوند. تطبيق الگو و cache كردت در سوئيچ هاي لايه 3 مشابه با يك روتر است.

هر دو از يك پروتكل مسيريابي و جدول مسير يابي براي تعيين بهترين مسير استفاده مي نمايند. با اين حال يك سوئيچ لايه 3 قابليت برنامه ريزي مجدد سخت افزار با اطلاعات مسيريابي لايه 3 را بصورت پويا دارد. اين آن چيزي است كه اجازه پردازش سريع تر بسته را مي دهد. در سوئيچ هاي لايه 3 فعلي اطلاعات دريافت شده از پروتكل هاي مسير يابي حهت به روز آوري جداول caching سخت افزار استفاده مي گردند.

LAN هاي مجازي( VLANS)

همچنانكه شبكه ها در اندازه و پيچيدگي رشد مي كنند، خيلي شركت ها به شبكه هاي محلي مجازي ( Virtual Local Area Networks-VLANs) براي فراهم كردن برخي روش هاي ساختار دهي اين رشد بطور منطقي روي مي آورند. اساساً يك VLAN مجموعه‌اي از گره‌هاست كه در يك دامنه داده پراكني (broadcast domain) واحد كه بر مبناي چيزي غير از محل فيزيكي مي‌باشد، با هم گروه‌بندي شده‌اند. شما قبلاً در مورد broadcast ها و اينكه چطور يك روتر broadcast ها را عبور نمي‌دهد، آموختيد. يك دامنه broadcast ، يك شبكه ( يا بخسي از يك شبكه ) است كه بسته broadcast را از هر گروه در شبكه دريافت خواهد كرد. در يك شبكه، هر چيز در هر طرف از ورتر تمام دامنه broadcast آن طرف مي‌باشد. يك سوئيچ كه شما VLAN ها را روي آن بكار برده‌ايد، چندين دامنه broadcast مشابه با يك روتر دارد. اما شما هنوز نياز به روتر ( يا موتور مسيريابي لايه 3 ) براي مسيريابي از يك VLAN به VLAN ديگر داريد سوئيچ نمي تواند به تنهايي چنين كاري را انجام دهد. در اينجا برخي از دلايل متعارف كه چرا يك شركت ممكن است VLAN ها را داشته باشد آورده شده است:

امنيت (Security ): جداسازي سيستم‌هايي كه اطلاعات حساس دارند از بقيه شبكه، شانس دسترسي افراد به اطلاعاتي را كه مجاز به ديدن آن نيستند، كاهش مي‌دهد.